Des circuits imprimés déformés peuvent détruire discrètement toute votre chaîne de montage. Un instant, tout semble parfait. L'instant d'après, vous vous retrouvez à la recherche de soudures ouvertes, de pastilles décollées et de cartes rejetées.
La déformation des circuits imprimés n'est pas une courbe anodine. Elle altère le rendement, altère la précision et compromet la fiabilité à long terme.
Alors, qu'est-ce qui se cache derrière ? Parfois, le matériau. D'autres fois, le procédé. Généralement, les deux. Mais le véritable problème n'est pas de repérer une planche déformée, mais de savoir la mesurer correctement. Et mieux encore, comment éviter que cela ne se reproduise.
C'est l'objet de cet article. De la définition de base à la physique du coude. Des causes profondes lors de la conception et de la fabrication aux impacts concrets de la refusion. Vous apprendrez également à le détecter, à le mesurer avec précision et à le corriger avant qu'il ne ruine une production.
Décomposons-le, sans fioritures.
Qu'est-ce que la déformation du PCB ?
Le gauchissement d'un circuit imprimé est la déformation physique d'un circuit imprimé. Au lieu de rester à plat, le circuit imprimé se plie, se tord ou se courbe. Cela peut se produire pendant la fabrication, le stockage ou la refusion. Et il suffit d'un petit gauchissement pour perturber l'ensemble de votre processus CMS.
Techniquement, il s'agit d'un écart par rapport à la forme plate d'origine de la carte. Les normes IPC définissent des limites de déformation acceptables. Pour un montage en surface, elle est généralement de 0.75 %. Pour un montage traversant, elle est de 1.5 %. Au-delà, les problèmes s'accumulent rapidement. Cependant, les limites varient selon l'épaisseur et l'application. En d'autres termes, un PCB plié signifie un processus défectueux.
Causes de déformation du PCB
La déformation d'une planche n'est pas due à un seul facteur. C'est souvent une combinaison de facteurs. Les matériaux, la conception et la manipulation jouent tous un rôle.
Examinons les plus grands coupables :
1. Déséquilibre matériel
Un circuit imprimé est constitué de couches : FR4, cuivre, préimprégné et masque de soudure. Si ces couches ne se dilatent et ne se contractent pas uniformément sous l'effet de la chaleur, des contraintes s'accumulent. Ces contraintes plient la carte. Les cartes dont les empilements sont déséquilibrés sont plus susceptibles de se tordre ou de se courber.
2. Disposition inégale du cuivre
Le cuivre chauffe différemment de la fibre de verre. Si la surface est dense en cuivre d'un côté et presque vide de l'autre, la carte se dilate de manière inégale. Cela la déforme, notamment lors du laminage ou de la refusion.
3. Mauvais processus de plastification
Lors du laminage, une chaleur et une pression élevées sont appliquées. Si la pression n'est pas uniforme, ou si la température est anormale, des contraintes internes sont piégées. Le gauchissement peut ne pas être visible immédiatement. Mais une fois la carte en fusion, il apparaît.
4. Humidité dans le PCB
Le FR4 est hygroscopique. Il absorbe l'humidité comme une éponge. Si le panneau n'est pas cuit ou stocké correctement, cette humidité se dilate rapidement sous l'effet de la chaleur. Cette dilatation soudaine provoque un délaminage interne ou des microfissures qui courbent ou tordent le panneau.
5. Composants lourds d'un côté
Des pièces volumineuses ou denses placées de manière inégale sur un côté de la carte peuvent engendrer des contraintes lors du soudage. Le poids, combiné à la chaleur, courbe la carte. Ce phénomène est particulièrement fréquent dans les fours de refusion présentant des profils thermiques irréguliers.
6. Mauvais stockage ou mauvaise manipulation
Empilez-vous les cartes à plat sans entretoises ? Ou les stockez-vous verticalement ? Et les exposez-vous à la chaleur ou à la pression ? Tout cela peut entraîner une déformation des circuits imprimés. La manipulation est également importante. Faire tomber une carte, la plier en la soulevant ou poser des outils dessus… tout cela s'additionne.
Effets du gauchissement du PCB sur l'assemblage
Un circuit imprimé déformé ne tient pas à plat. C'est déjà un problème. Mais la situation s'aggrave lors de l'assemblage.
1. Mauvaises soudures
Les CMS nécessitent un alignement précis. Les cartes déformées soulèvent les pastilles de la pâte à braser, ce qui crée des joints fragiles, voire inexistants.
Les ponts, les joints ouverts et froids sont tous dus à un mauvais contact lors de la refusion.
2. Tombstoning et composants mal alignés
Les petites pièces comme les résistances et les condensateurs sont plus sensibles. Si une pastille se soulève pendant la refusion, la pièce se redresse, formant ainsi une pierre tombale. Ce phénomène se produit fréquemment lorsque les cartes sont déformées en leur milieu.
3. Erreurs de placement de la machine
Les machines de placement exigent une cible plane. La déformation perturbe le système de vision. Les composants sont décentrés ou mal alignés. Trop de déformation ? La machine s'arrête. Vous perdez du temps et de l'argent.
4. Stress sur l'Assemblée
Lorsque vous forcez une carte déformée dans un boîtier rigide, quelque choseg doit céder. Généralement, ce sont les soudures ou les couches du circuit imprimé elles-mêmes qui sont en cause. Des fissures, un délaminage ou une défaillance prématurée s'ensuivent souvent.
5. Problèmes d'AOI et de test
Les systèmes AOI reposent sur une géométrie de carte cohérente. Le gauchissement fausse les mesures de hauteur et crée des erreurs d'identification. Vous finissez par rechercher de faux défauts. Ou pire, vous passez à côté de défauts réels.
Comment vérifier la déformation du PCB
Avez-vous déjà eu une carte qui a passé l'inspection visuelle, mais qui a échoué après refusion ? Le gauchissement est le coupable invisible. Voici comment le détecter rapidement.
1. Vérification de la surface plane
Placez le circuit imprimé sur une surface plane et vérifiée. Un bloc de granit fera l'affaire. Éclairez-le par derrière. Si vous voyez des espaces, c'est qu'il est déformé. Simple, mais efficace pour des vérifications rapides.
2. Indicateur à cadran
Cet outil mesure les petites différences de hauteur. Déplacez-le sur la surface du circuit imprimé pour suivre la courbe. Il est plus précis que les contrôles visuels. Vous obtiendrez un chiffre précis, et non une simple estimation.
3. Jauge d'épaisseur
Glissez une jauge d'épaisseur entre le circuit imprimé et la surface plane. Essayez différentes lames pour trouver l'espace exact. C'est simple, mais étonnamment fiable, surtout pour les contrôles rapides en atelier.
4. Dispositifs de déformation
Des gabarits spéciaux maintiennent la carte en place et permettent de mesurer la distorsion hors plan. Souvent utilisés en contrôle qualité de production, ils permettent des contrôles cohérents et reproductibles.
5. Scanners 3D
Les systèmes avancés utilisent des lasers ou une lumière structurée pour capturer l'intégralité du profil de surface. Très précis, mais coûteux, ils sont généralement utilisés dans les environnements de production à grande échelle.
Mesure du gauchissement des circuits imprimés
Vérifier le gauchissement n'est pas une question de supposition. C'est une question de chiffres. Les normes sont importantes.
Parlons chiffres. La norme IPC-TM-650 2.4.22 décrit comment mesurer le gauchissement des circuits imprimés.
La méthode est simple :
1. Posez le PCB sur une surface plane.
2. Utilisez une jauge de hauteur ou un indicateur à cadran pour mesurer l’écart le plus élevé par rapport à la surface.
3. Divisez cet écart par la longueur diagonale de la planche.
Ce résultat ? C'est votre pourcentage de déformation.
Formule de calcul du gauchissement (IPC-TM-650) :
Déformation (%) = (Écart maximal par rapport à la planéité / Longueur diagonale) × 100
Par exemple, une courbure de 0.5 mm sur une planche de 200 mm équivaut à 0.25 %. Cela reste dans les limites.
Mais si vous dépassez 0.75 % pour les cartes SMT (ou 1.5 % pour les cartes traversantes), vous vous trouvez en territoire risqué.
Pourquoi une diagonale ? Parce que la déformation n'est pas toujours droite. Elle peut se tordre, se courber, se courber. La diagonale illustre le pire des scénarios.
Besoin de plus de précision ? Utilisez une machine à mesurer tridimensionnelle (MMT) ou un scanner 3D. Ces outils permettent d'obtenir une topographie complète de la surface de la carte. Vous verrez la courbe, pas seulement un chiffre.
Certains fabricants haut de gamme utilisent même l'imagerie thermique. Pourquoi ? Pour observer le comportement de la carte lorsqu'elle est chauffée. Le gauchissement lors de la refusion peut être plus important que celui mesuré à température ambiante.
Comment éviter la déformation des circuits imprimés
Réparer des planches déformées est difficile. Mieux vaut prévenir que guérir. Alors, comment prévenir le gauchissement avant qu'il ne se produise ?
Examinons des méthodes éprouvées.
1. Conception d'empilement équilibré
Concevez toujours en gardant à l'esprit la symétrie. Assurez une répartition uniforme du cuivre. Utilisez le même nombre de couches au-dessus et en dessous du centre. Adaptez les épaisseurs diélectriques. Des couches déséquilibrées peuvent entraîner des contraintes déséquilibrées, et donc des déformations.
Utilisez des outils de simulation pour vérifier votre solde à l'avance. Cela vous évitera bien des soucis plus tard.
2. Distribution uniforme du cuivre
Évitez de verser de grandes quantités de cuivre d'un côté et pas de l'autre. C'est précisément ce qui provoque le gondolage des cartes, même avant la refusion. Utilisez des remplissages de cuivre factices si nécessaire. Maintenez une masse thermique constante. Certains outils EDA peuvent équilibrer automatiquement le cuivre. Utilisez-les.
3. Choisissez de meilleurs matériaux
Le FR4 bon marché se plie rapidement, surtout sous l'effet des cycles thermiques. Privilégiez les matériaux à Tg élevée ou à faible CTE si votre application exige une résistance à la chaleur. Les panneaux en polyimide sont plus stables sous contrainte thermique.
Demandez au fabricant quels matériaux il recommande pour les cartes haute fiabilité.
4. Contrôler les profils de refusion
Un chauffage soudain provoque du stress, tout comme un chauffage irrégulier. Définissez un profil de refusion adapté. Utilisez des phases de montée et de descente en température progressives. Assurez-vous que les zones supérieure et inférieure sont équilibrées.
Assemblages double face ? Précuisez la carte. Ou prérefusionnez une face avec de la pâte à braser basse température.
5. Stockage et manipulation appropriés
Conservez les planches à plat, à l'abri de l'humidité et à température contrôlée. Utilisez si possible un emballage sous vide. Ajoutez des sachets déshydratants. Et faites toujours cuire les planches avant l'assemblage si elles ont été exposées à l'humidité.
De plus, n'empilez pas les planches sans entretoises. Le poids du haut déforme le bas.
6. Utiliser des supports
Si la carte est fine, grande ou comporte de nombreux composants, utilisez des fixations. Les fixations par refusion maintiennent la carte à plat pendant la soudure. Elles réduisent les contraintes mécaniques et l'affaissement thermique.
C'est un coût supplémentaire, mais c'est moins cher que de jeter 500 planches.
7. Évitez la surconception
Parfois, les concepteurs ajoutent trop de couches ou imposent des tolérances serrées juste pour intégrer des fonctionnalités. Demandez-vous : est-ce que cela en vaut la peine ? Plus de couches augmentent la complexité de la conception. Un mauvais équilibre peut entraîner des contraintes internes et des déformations.
Si la conception le permet, limitez le nombre de couches. Utilisez des planches plus petites. Optez pour un système modulaire si possible.
Problème de déformation des circuits imprimés : impact réel
Mettons les choses en contexte. Vous construisez une carte à 12 couches pour un dispositif médical. Les tests se déroulent bien. Mais après la refusion finale, certaines unités tombent en panne. Les pastilles flottent. Les rayons X révèlent des soudures défectueuses.
Le problème ? Une légère déformation (à peine 0.9 %). Mais cela suffit à soulever les coins du QFN et à créer des circuits ouverts.
Votre rendement chute de 15 %. L'assurance qualité accuse l'assemblage. L'assemblage accuse la conception. Vous retravaillez maintenant les cartes. Les retards s'accumulent. La confiance des clients s'effondre. Tout cela pour 0.9 %.
Cela se produit également dans l'aérospatiale. Ou dans les véhicules électriques. Partout, la fiabilité est importante.
Conclusion
La déformation des circuits imprimés n'est pas toujours visible. Mais ses effets sont criants : soudures ratées, erreurs machine et pannes sur le terrain. Qu'est-ce qui est effrayant ? Elle passe souvent inaperçue jusqu'à ce qu'il soit trop tard.
Alors, n'attendez pas que le problème se manifeste en production. Commencez par la conception. Pensez aux matériaux. Surveillez votre bilan de cuivre. Cuisez vos circuits imprimés. Manipulez-les correctement. Et mesurez tout.
Car une fois la carte pliée, il est difficile de la déplier. Avec les bons procédés, la plupart des problèmes de déformation peuvent être évités. Ce n'est pas une question de chance, mais de contrôle. Alors, la prochaine fois que votre circuit imprimé vous paraîtra plat, posez-vous la question : est-ce vraiment le cas ?
